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DE102006036151A1 - Procedure for the surface processing of a work piece with a tribologically occupiable surface, comprises finishing the surface and bringing in by means of laser structuring bags - Google Patents

Procedure for the surface processing of a work piece with a tribologically occupiable surface, comprises finishing the surface and bringing in by means of laser structuring bags Download PDF

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Tobias Dr.-Ing. Abeln
Oliver Kull
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Gehring GmbH and Co KG
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Gehring GmbH and Co KG
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Abstract

The procedure for the surface processing of a work piece with a tribologically occupiable surface, comprises finishing the surface (12) and bringing in by means of laser structuring bags (10). The laser structuring takes place via ultra-short pulse with pulse duration of less than 100 ps and a frequency of 100 KHz-10 MHz. The roughness of the surface processed by hone is = 3 mu m RZ. An independent claim is included for work piece.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel aus der EP 1 275 864 B1 bekannt. Um die Fläche so zu bearbeiten, dass sie auch unter ungünstigen Arbeitsbedingungen relativ zueinander beweglicher Teile eine sichere Schmierung durch ausreichenden hydrodynamischen Druck gewährleistet, werden in die Fläche eine Vielzahl von Taschen eingebracht, deren Umfangsrand als gratfreie Strukturkante ausgebildet ist, so dass die Taschen für die Aufnahme eines Schmiermittels geeignete Mikrodruckkammern bilden.The invention relates to a method for the surface treatment of a workpiece with a tribologically claimable surface. Such a method is for example from EP 1 275 864 B1 known. To edit the surface so that it ensures safe lubrication by sufficient hydrodynamic pressure, even under unfavorable working conditions of relatively moving parts, a plurality of pockets are introduced into the surface, the peripheral edge is formed as a burr-free edge structure, so that the pockets for the Take a lubricant form suitable micro-pressure chambers.

Bei derartigen Flächen handelt es sich beispielsweise um die Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren. Die darin beweglichen Gegenkörper sind die Kolben. Andere zu bearbeitende Flächen sind zum Beispiel Bohrungen für Ventile, Düsen, Pumpen o. ä. Es kann sich dabei aber auch um die Außenstrukturierungen an Planflächen oder Außenkonturen handeln.at such areas For example, these are the cylinder bores of internal combustion engines. The therein movable counter body are the pistons. Other surfaces to be machined are bores, for example for valves, Nozzles, pumps o. Ä. It But it can also be about the external structuring on plane surfaces or outer contours act.

Die Bearbeitung derartiger Flächen nach dem derzeitigen Stande erfolgt gemäß 1. Der erste Schritt besteht in einer Vorbearbeitung, zum Beispiel einem Vorhonen oder Feinbohren (Bild 1[a]), der zweite Schritt in einem zweiten Honvorgang (Zwischenhonen, Bild 1[b]), mit dem die Oberfläche weiter hinsichtlich Formgenauigkeit und Oberflächengüte verbessert wird. In einem dritten Schritt erfolgt dann das Einbringen von Taschen 10 im Wege einer so genannten Laserstrukturierung, also mittels Laserstrahlung. Dabei erzeugt man zum Beispiel Taschen mit circa 5 μm–35 μm Tiefe, einer Länge von 3 mm und einer Breite von 20 μm–60 μm (Bild 1[c]). Verschiedene Formen solcher Taschen sind in der oben genannten EP 1 275 864 A1 gezeigt. Bei diesem bekannten Verfahren können die in Bild 1(a) und 1(b) schematisch gezeigten Verfahrensschritte auch zusammengefasst werden. Auch dabei ergibt sich die in Bild 1(c) gezeigte Struktur mit den Graten 11, die nachfolgend durch Entgratvorgang, der im Prinzip auch ein Honvorgang ist, entfernt werden müssen.The processing of such areas according to the current state is carried out according to 1 , The first step consists in a pre-processing, for example a pre-honing or fine boring (Figure 1 [a]), the second step in a second honing process (intermediate honing, Figure 1 [b]), with which the surface is further improved in terms of dimensional accuracy and surface quality , In a third step, the introduction of pockets 10 takes place by way of a so-called laser structuring, ie by means of laser radiation. For example, pockets with a depth of approximately 5 μm to 35 μm, a length of 3 mm and a width of 20 μm to 60 μm are produced (Figure 1 [c]). Various forms of such bags are in the above EP 1 275 864 A1 shown. In this known method, the method steps shown schematically in Figure 1 (a) and 1 (b) can also be summarized. Here too, the structure shown in Figure 1 (c) results with the burrs 11 , which must subsequently be removed by deburring, which is in principle a honing process.

Das Herstellen derartiger Taschen mit Hilfe von Laserpulsen ist ein hochdynamischer Vorgang, bei dem Werkstoff in kürzester Zeit erwärmt, geschmolzen, verdampft und ionisiert wird. Der durch Verdampfung entstehende Druck beschleunigt die Schmelze und treibt diese an den Rand der Abtragszone, wo sie sich teilweise ablöst, teilweise jedoch als Grat erstarrt. Ein solcher Grat 11 ist in 1 gezeigt.The production of such pockets by means of laser pulses is a highly dynamic process in which material is heated, melted, evaporated and ionized in the shortest possible time. The pressure generated by evaporation accelerates the melt and drives it to the edge of the erosion zone, where it partially dissolves, but partially solidifies as a burr. Such a ridge 11 is in 1 shown.

Um diesen Grat zu beseitigen, findet in einem weiteren Verfahrensschritt (Bild 1[d]) ein Abtragen durch Entgraten, das im Wesentlichen auch ein Honen sein kann, statt. Dabei erfolgt auch ein weiterer Materialabtrag von den zwischen den Taschen 10 verbleibenden Flächen (12).In order to remove this burr, in a further process step (Figure 1 [d]) removal by deburring, which may also be honing, takes place. There is also a further removal of material from between the pockets 10 remaining areas ( 12 ).

2 zeigt die Verhältnisse etwas weniger schematisch, nämlich bei (c) nach Durchführung der Laserstrukturierung, und bei (d) nach dem abschließenden Entgraten/Honen. 2 shows the situation somewhat less schematically, namely at (c) after performing the laser structuring, and at (d) after the final deburring / honing.

Modellbetrachtungen zum Einfluss der Pulsdauer auf die im Werkstück ablaufenden thermischen Vorgänge haben ergeben, dass eine Absenkung der Pulsdauer zwar zunächst zu einer Verringerung der Schmelzdicke führt, dass diese jedoch unterhalb von 10–11 s (10 ps) sich kaum noch verändert und einem (fluensabhängigen) Grenzwert zustrebt. Ein analoges Sättigungsverhalten ist auch für die Verdampfungsdauer und die Zeit bis zur vollständigen Erstarrung beobachtet worden.Model observations on the influence of the pulse duration on the running in the workpiece thermal processes have shown that a reduction of the pulse duration initially leads to a reduction of the melt thickness, but that under 10 -11 s (10 ps) barely changed and a (fluent ) Threshold strives. An analogous saturation behavior has also been observed for the evaporation time and the time to complete solidification.

Eine Erklärung dafür findet sich in dem Erwärmungsverhalten auf ultrakurzer Zeitskala. Das Laserlicht tritt zunächst mit den Leitungsbandelektronen des Metalls in Wechselwirkung und heizt diese auf hohe Temperaturwerte auf. Für die Energieübertragung von den Elektronen auf die Atome des Kristallglätters ist eine Vielzahl von Stößen erforderlich. Dies führt dazu, dass die Erwärmung der Atome deutlich verzögert stattfindet. Ein Temperaturausgleich zwischen Elektronen und Gitteratomen findet somit erst nach einer materialspezifischen Relaxationszeit statt.A statement for it finds in the warming behavior on an ultra-short time scale. The laser light comes along first the conduction band electrons of the metal interacts and heats these on high temperature values. For the energy transfer from the electrons to the atoms of the crystal smoother is a variety of Shocks required. This leads to, that warming the atoms retarded significantly takes place. A temperature compensation between electrons and lattice atoms thus takes place only after a material-specific relaxation time instead of.

Der bei einer Verdampfung durch die starke Volumenzunahme erzeugte Druck führt zu einer Beschleunigung der Schmelze. Dies dient ihrem Austrieb, führt jedoch zu einer Akkumulation am Rand der Abtragszone, also zu einem Grat.Of the at an evaporation caused by the strong volume increase pressure generated leads to an acceleration of the melt. This is their sprouting, but leads to an accumulation at the edge of the erosion zone, ie to a ridge.

Aus diesen Gründen ist es bisher nicht gelungen, in eine gehonte Oberfläche Taschen ohne die Notwendigkeit eines anschließenden Entgratens so einzubringen, dass eine Nachbearbeitung durch einen Entgratvorgang unterbleiben kann.Out these reasons So far, it has not been able to pocket in a honed surface without the need for subsequent deburring, that a post-processing by a Deburring omitted can.

Eine solche Nachbearbeitung ist also stets noch notwendig. Obwohl zur Herstellung der Mikrostrukturen in der Oberfläche zur Zeit ns-Laser, so genannte Kurzpuls-Laser, eingesetzt werden, hat man das Problem der Notwendigkeit einer Entgratung im nachfolgenden Verfahrensschritt noch nicht lösen können. Zudem entstehen bei der Laserstrukturierung zur Zeit auch Schmelzablagerungen in den Strukturen, die die Präzision der Struktur mindern.A such post-processing is therefore still necessary. Although to Production of microstructures in the surface at the time ns-laser, so-called Short-pulse lasers, used, one has the problem of necessity Deburring in the subsequent process step can not solve. moreover During the structuring of the laser melt deposits are formed at the moment in the structures that the precision to reduce the structure.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.The The object underlying the invention is thus, a To improve the method of the type mentioned.

Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.The solution is according to the invention with the Features of claim 1.

Es hat sich nun, entgegen den geschilderten Erwartungen gezeigt, dass mit Pulsdauern von weniger als 100 ps (1 ps = 1 Picosekunde = 10–12 s, 100 ps = 10–10 s), so genannten Ultrakurzpuls-Lasern, die Einbringung von Taschen durch Laserstrukturierung in denselben Dimensionen wie seither möglich ist, jedoch relevante Schmelzaufwürfe vermieden werden. Die Vermeidung von Schmelzaufwürfen, das heißt von Graten 11, führt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einsparung eines Prozessschrittes, nämlich des in 1 mit (d) bezeichneten Verfahrensschritts einer abschließenden Entgrat-/Honoperation. Außerdem wird die Stukturpräzision erhöht. Das heißt, dass eine Verbesserung der Taschengeometrien hinsichtlich Kantenausbildung und Strukturgrund erzielt wird, und zwar weil keine verminderte Schmelzbaddynamik vorliegt. Der Verfahrensschritt der Laserstrukturierung stellt somit die letzte Bearbeitungsoperation dar. Durch diese nachbearbeitungsfreie Erzeugung einer Laserstrukturierung werden die Fertigungskosten erheblich reduziert.Contrary to the expectations described, it has now been shown that with pulse durations of less than 100 ps (1 ps = 1 picosecond = 10 -12 s, 100 ps = 10 -10 s), so-called ultrashort-pulse lasers, the introduction of pockets by laser structuring in the same dimensions as possible since then, but avoiding relevant melt pruning. The avoidance of melting, that is of burrs 11 , leads in the inventive method for saving a process step, namely the in 1 (d) process step of a final deburring / honing operation. In addition, the structural precision is increased. This means that an improvement in the pocket geometries with regard to edge formation and structural reason is achieved, and in fact because there is no reduced melt-bath dynamics. The process step of the laser structuring thus represents the last machining operation. By this non-processing generation of a laser structuring, the production costs are significantly reduced.

Die 3 und 4 erläutern die Ausführung.The 3 and 4 explain the execution.

3 zeigt schematisch die verschiedenen, zur gewünschten Laserstruktur führenden Bearbeitungsschritte, 4 ist eine vergrößerte und etwas weniger schematische Darstellung der Taschen 10 nach der Bearbeitung gemäß 3. 3 shows schematically the various processing steps leading to the desired laser structure, 4 is an enlarged and somewhat less schematic representation of the bags 10 after processing according to 3 ,

Die Dauer von Ultrakurzimpulsen liegt bei weniger als 100 ps (10–10 s). Die Repetitionsrate (Frequenz) muss wesentlich höher als beim konventionellen YAG-Laser sein. Sie liegt im Bereich von einigen 100 kHz. Um jedoch den gleichen Abtrag zu erreichen wie bei der seitherigen Laserstrukturierung, wird bei der Honfrequenz eine niedrigere Energie eingesetzt, wobei die Schmelzgratbildung so gering ist, dass sie für die hier betrachteten Genauigkeits- und sonstigen Oberflächenanforderungen außer Betracht bleiben kann. Das abgetragene Material verdampft vollständig. Die Grathöhe ist auf jeden Fall kleiner als die Rauheit der vorher fertig bearbeiteten Oberfläche 12 zwischen den Taschen 10. Der Prozess ist also schmelzminimiert bis schmelzfrei. Die Rauheit der vorbearbeiteten Oberfläche liegt im Bereich der Endqualität. Diese beträgt zum Beispiel bei Zylinderlaufbahnen für Verbrennungsmotoren ≤ 3 μm RZ.The duration of ultrashort pulses is less than 100 ps (10 -10 s). The repetition rate (frequency) must be much higher than with the conventional YAG laser. It is in the range of a few 100 kHz. However, in order to achieve the same removal as in the previous laser structuring, lower energy is used at the honing frequency, whereby the fusible link formation is so small that it can be disregarded for the accuracy and other surface requirements considered here. The removed material evaporates completely. The burr height is in any case smaller than the roughness of the previously finished surface 12 between the bags 10 , The process is thus melt-minimized to free of fusion. The roughness of the pre-machined surface is in the range of the final quality. This is, for example, in cylinder liners for internal combustion engines ≤ 3 microns RZ.

Es werden heute bereits Laser angeboten, die derartige kurze Pulse erzeugen (vergleiche http://www.laserzentrumhannover. de/kompetenzen/laserentwicklung/kurzpulslaser und https: //fgsw.uni-stuttgart.de/fsb/verband/fst.html ).Lasers are already being offered today that produce such short pulses (cf. http: //www.laserzentrumhannover. de / skills / laser development / short pulse laser and https: //fgsw.uni-stuttgart.de/fsb/verband/fst.html ).

Die Strahlführung kann so erfolgen, wie es zum Beispiel in der DE 20 2004 020 494.0 oder der DE 20 2005 005 905.6 U beschrieben ist.The beam guidance can be carried out as it is for example in the DE 20 2004 020 494.0 or the DE 20 2005 005 905.6 U is described.

Die erhöhte Strukturpräzision führt zudem dazu, dass die Strukturen (Taschen) schmaler und flacher ausgeführt werden können. Die hydrodynamische Wirkung und der Kapillareffekt der Taschen, der das Schmiermedium hält, wird somit optimiert. Dies führt auch im Betrieb zu besserem Schmierungsverhalten beziehungsweise zu einer besseren Sicherung der Schmierung, da der Schmierstoff lokal besser gehalten wird, einen stabilen Schmierfilm aufbaut und nicht aus der Struktur herausläuft.The increased structural precision also leads to that the structures (pockets) are made narrower and flatter can. The hydrodynamic effect and the capillary effect of the pockets, which holds the lubricant, is thus optimized. this leads to also in operation to better lubrication behavior or to better ensure lubrication, since the lubricant is better locally, a stable film of lubricant builds up and does not run out of structure.

Bei der Bearbeitung mit ultrakurzen Pulsen tritt, wie bereits erwähnt, keine Schmelze in relevantem Ausmaß auf. Dies hat zur Folge, dass bei der Bearbeitung von lamellarem Grauguss im Strukturgrund die Graphitlamellen freigelegt werden. Sie ragen aus dem Strukturgrund heraus. Dies trägt im Betrieb derartig bearbeiteter Flächen (zum Beispiel in Motoren) im Falle einer Mangelschmierung dazu bei, die Notlaufeigenschaften zu verbessern.at the processing with ultrashort pulses occurs, as already mentioned, no Melt to a relevant extent. As a result, when processing lamellar gray cast iron The graphite lamellae are exposed in the structural ground. They protrude out of the structural ground. This contributes in operation so machined surfaces (for example in engines) in the case of deficient lubrication, to improve the emergency running properties.

Weiterhin wird durch den Einsatz von Ultrakurzpulslasern keine beziehungsweise eine nur äußerst reduzierte Gefügeveränderung in dem bearbeiteten Material herbeigeführt.Farther becomes by the use of ultra-short pulse lasers no or an extremely reduced one structural change brought about in the processed material.

Neben der Anwendung von laserstrukturierten Kolbenlaufbahnen in Verbrennungsmotoren ist diese Art von Stukturierung auch dort vorteilhaft einsetzbar, wo eine Nachbearbeitung durch Honen der Bohrung nicht durchgeführt werden kann, zum Beispiel Außenstrukturierungen von Planflächen oder Außenkonturen.Next the application of laser-structured piston tracks in internal combustion engines this type of structuring can also be used advantageously there, where reworking by honing the hole is not performed can, for example, external structuring of plane surfaces or outer contours.

Claims (4)

Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche, bei dem in mindestens einem Verfahrensschritt die Fläche fertig bearbeitet und danach mittels Laserstrukturierung Taschen (10) eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrukturierung durch Ultrakurzpulsen mit einer Pulsdauer von weniger als 100 ps erfolgt.Process for the surface treatment of a workpiece with a tribologically stressable surface, in which the surface is finished in at least one method step and then by means of laser structuring ( 10 ), characterized in that the laser structuring is performed by ultrashort pulses having a pulse duration of less than 100 ps. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz 100 kHz–10 MHz beträgt.Method according to claim 1, characterized in that that the frequency is 100 kHz-10 MHz is. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der durch Honen vorbearbeiteten Oberfläche im Bereich von ≤ 3 μm RZ liegt.Method according to claim 1 or 2, characterized that the roughness of the surface pre-machined by honing in the area of ≤ 3 μm RZ. Werkstück mit einer gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden bearbeiteten Oberfläche.workpiece with one according to the method Claim 1 or one of the following machined surface.
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